文献综述
摘要：圆柱绕流的耦合振动分析意在分析流体与圆柱状固体发生耦合振动时的具体参数，以解决实际生活中类似海底运输管线、水流对桥梁的冲击、高空电缆等的诸多实际问题。解决流固耦合问题常采用浸入边界法或动边界法，根据不同的边界条件采用不同的方法最终确定圆柱绕流场的涡激振动数据。还可以使用计算流体力学（CFD）进行仿真实验理论分析，对实际情况进行具体模拟，重点解决涡激振动响应的问题。
关键词：圆柱绕流 流固耦合 耦合振动
- 研究背景
圆柱绕流是钝体扰流问题的经典代表，其在工程应用中十分普遍。将一圆柱体置于流场，当流体质点流经圆柱体最前缘时，因为圆柱体这一不良绕流物的存在，将会改变该流体质点的流动形态，致使该流体质点受到的压力升高，圆柱体迎流向表面附近流体质点压力的升高将促使表面的边界层不断向两侧发展。当边界层发展至圆柱体截面圆最大宽度处，由于此时流体的雷诺数较大，流体质点所受的压力不足以使边界层扩散至截面圆最大宽度处，于是边界层在这一最大宽度处附近发生分离，同时截面圆上下生成新的剪切层，两个新生成的剪切层自由地向圆柱体尾部移动，通常意义上的尾流区即为这两个剪切层之间的流场。尾流区的流体质点因为流速的不同，会形成一个一个流体微团，并驱使不同的流体微团发生回旋运动，宏观表现为漩涡的生成，生成的漩涡在远离尾流区时会趋于流速一致，流体微团的旋转运动也将会变得平缓，宏观表现为漩涡的脱落。于是圆柱体尾流区会不断出现生成与脱落的漩涡，引起柱体升阻力变化，诱发圆柱的振动，即涡激振动。当流体力的变化频率与结构的固有频率接近时，将会引发共振。共振时结构的振幅显著增大，结构的振动加剧，会引发如结构材料的疲劳损坏等一系列问题。涡激振动问题是一种双向流固耦合问题。随着现代科学技术的不断发展，圆柱绕流问题有着越来越重要的现实意义，下至水中越来越多的流水对桥梁桥墩的冲击影响，海水对海中天然气开采平台支撑柱的冲击影响，流水对海底运输管道的影响，上至气流对高空输电导线、高塔、烟囱的影响。因而我们要在充分了解认识圆柱绕流的耦合振动的基础上，避免造成损失或者加以应用这一现象。
2．研究方法
2.1常用CFD
圆柱绕流的研究方法通常包括试验研究和数值模拟，试验研究通过全尺寸或一定比例缩小的模型试验得到数据，相对数值模拟的成本较高，在最近几十年中，随着计算机硬件的发展，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics简称CFD)也得到飞速的发展，数值模拟的应用越来越多，不仅成本低，而且能够模拟较复杂和较理想的过程[1]。计算流体力学是解决流体力学水动力问题的数值模拟方法，是对理论分析和模型试验的重要补充和发展。比较常用的CFD软件包括CFX和FLUENT等。FLUENT相对来说应用更为广泛[2][3]。文献4]利用FLUENT首先对不同排列方式和不同雷诺数下的双圆柱进行数值模拟，得到其绕流流场、升阻力系数，并通过运算得到各圆柱在不同条件下的漩涡脱落频率，研究了作用力和漩涡脱落频率的变化规律。然后又对三圆柱及四圆柱绕流进行了数值模拟，进而对更多圆柱的柱群结构进行初步探索。文献[5]在分析了不同来流下的二维圆柱涡激振动响应特性的基础上通过FLUENT计算了典型的顶张力立管横向振动的响应，同时得到其“危险截面”对应的响应特性。此外，如文献[6]利用CFX商业软件研究了雷诺数Ｒe=40下的单圆柱绕流现象以及Ｒe=42000下采用三种不用湍流模型研究了单圆柱的竖向涡激振动现象，得出CFX可有效计算低雷诺数下的圆柱绕流问题和CFX可利用多湍流模型共同研究圆柱的涡激振动现象的结论。而ANSYS Workbench同时结合了FLUENT和CFX和其他一些常用软件，功能更加的全面，文献[7]-[9]就分别利用ANSYS Workbench对供水管道和飞机副翼进行分析，实现了减小管道和机翼振动和减低噪声的目的。
2.2流固耦合求解
边界处理是数值方法中重要的组成部分，根据不同的耦合边界处理方法，流固耦合求解主要包括两类：浸入边界法和动边界法。浸入边界法的基本思想是将复杂结构的边界模化成N-S动量方程中的一种体力，并使简单的笛卡尔网格有效地避开贴体网格生成的困难，提高了计算效率。文献[10][11]借助求解不可压缩N-S方程组的分步投影方法的思想，求解基于浸入边界法的耦合系统方程，进一步分析了不同雷诺数下圆柱绕流场的涡结构分布特征。文献[12]在浸入边界法的基础上加以改进，提出了改进的浸入边界-格子Boltzmann数值计算方法。并通过圆柱绕流的计算验证了该方法的可行性，体现出计算效率高、稳定性好，结果准确等优势。而动边界法是工程技术研究领域使用最广泛的流固耦合求解方法，通常使用流体方程的任意拉格朗日-欧拉（ALE）形式。该形式的方程确立了连续的计算网格移动方式后就可以直接处理移动的边界和耦合面。文献[13]采用ALE方法考虑流固耦合作用, 用有限元方法求解二维不可压粘性流的N-S方程, 结合圆柱振动控制方程, 模拟了Re=90～150范围内圆柱绕流引起的涡激振动，成功的预测“拍”和“锁定”现象。
